Damit sich Chemiker durch alle Sprach- u. Schriftbarrieren hindurch miteinander verständigen können, gebrauchen sie eine gemeinsame Sprache – die IUPAC-Nomenklatur (die eigentlich ein Thesaurus ist). Zugleich benötigen sie, um Stoffe durch Formeln u. Vorgänge durch Gleichungen charakterisieren zu können, eine internat. eingeführte
c.Z. aus Symbolen u. Kurzzeichen. Eine derartige Bildersprache gab es schon im Altertum u. im Mittelalter: vielerlei komplizierte u. immer wieder wechselnde Zeichen u. Bilder zur Kennzeichnung der
verschiedenen Stoffe .
Die heute auf der ganzen Welt einheitlich benutzte c.Z. wurde in ihren wesentlichen Grundzügen von dem schwed. Chemiker Berzelius von 1811 an geschaffen u. im Januar 1814 erstmals beschrieben . Hier wird vorgeschlagen, als chem. Zeichen nur Buchstaben u. Ziffern zu verwenden, die Elemente mit ihren Anfangsbuchstaben zu bezeichnen, die Verb. einfach durch Aneinanderreihen der Elementbuchstaben zu charakterisieren u. damit gleichzeitig eine quant. (mengenmäßige) Auslegung der Formeln u. Gleichungen zu ermöglichen. Das Berzeliussche Formelsyst., das sich nach kurzen, bedeutungslosen Einwänden etwa von 1826 an allg. durchsetzte, hat im Laufe der letzten hundert Jahre so viele Verbesserungen u. Erweiterungen erfahren, daß wesentliche Änderungen in nächster Zukunft schwerlich zu erwarten sind. Im folgenden sind die wichtigsten Grundzüge der heutigen c.Z. beschrieben.
Elemente
Die chem. Elemente werden mit den Anfangsbuchstaben ihrer wissenschaftlichen, meist lat. od. griech. Namen bezeichnet . So ist z.B. Kohlenstoff (lat.: carbo) abgekürzt C, Wasserstoff (hydrogenium) H, Phosphor P, Stickstoff (nitrogenium) N, Sauerstoff (oxygenium) O. Wenn verschiedene Elementnamen mit dem gleichen Buchstaben beginnen, setzt man noch einen weiteren Buchstaben hinzu, um Verwechslungen auszuschließen. Diese Schreibweise hat sich heute mit ganz geringfügigen Ausnahmen im chem. Schrifttum durchgesetzt. Die Elementsymbole stehen aber nicht nur für das betreffende Element, sondern oft für ein einziges Atom davon, in chem. Gleichungen für ein Mol. od. eine diesem äquivalente Menge. Isotope werden, falls notwendig, gekennzeichnet durch die Massenzahl links oben, die Ordnungs-Kernladungszahl links unten, den Ionisierungszustand rechts oben u. die Zahl der Atome rechts unten.
Verbindungen
Bei den chemischen Verbindungen reiht man einfach die Symbole der am Aufbau der betreffenden Verb. beteiligten Elemente wie die Buchstaben eines Wortes aneinander, wobei man die Symbole der mehrfach im Mol. vertretenen Elemente mit einem ihrer Anzahl entspr. Index rechts unten versieht. Solche Ausdrücke bezeichnet man als Formeln. Hieraus läßt sich unter Berücksichtigung der bekannten At.-Gew. der einzelnen Partner die Molmasse der betreffenden Verb. u. ihre gewichtsmäßige Zus. berechnen. Zwar kann man prinzipiell auch für Legierungen u. Nichtstöchiometrische Verbindungen derartige Bruttoformeln aufstellen, doch haben diese nicht dieselbe Aussagekraft wie bei echten Verbindungen. Bei der Reihenfolge der Anordnung in den Bruttoformeln (Summenformeln) hat heute allg. – zumindest für org. Verb. – das Hillsche System der alphabet. Reihung der Elementsymbole, allerdings hinter C u. H, das Richtersche System abgelöst. Eine abgewandelte Form der Summenformel ist die „aufgelöste Formel“, eine Schreibweise, die der Anordnung der Atome od. Atomgruppen im Mol. Rechnung trägt, aber doch nicht direkt mit der Strukturformel identisch ist. Atomgruppen werden in diesem Falle zwischen Rundklammern gesetzt, wobei die Schlußklammer analog wie im Falle der Elementsymbole einen der Häufigkeit des Auftretens der betreffenden Atomgruppe im Mol. entsprechenden Index rechts unten erhält. Ist (wie im Falle der Komplex-Ionen) eine Atomgruppe wiederum aus mehreren kleineren Atomgruppen (Liganden u. Zentral-Ion) zusammengesetzt, so setzt man den Komplex zwischen eckige Klammern u. symbolisiert analog seine Häufigkeit im Mol. durch einen tiefgestellten Index rechts der Schlußklammer.
Bei den Salzen setzt man im dtsch. u. engl. Sprachgebiet üblicherweise das Kation (Metall) voran, in Frankreich u. Spanien verfuhr man früher oft umgekehrt. Die Säureformeln beginnen in der anorg. Chemie mit H, in der org. Chemie wird dagegen die Säure-, d.h. die Carboxy-Gruppe (COOH) nachgestellt. Malpunkte bedeuten in chem. Formeln soviel wie „und“; sie werden bes. häufig bei Kristallwasserangaben, in der Mineralogie u. in den Formeln von Additionsverbindungen verwendet. Man benutzt Malpunkte anstelle von Pluszeichen, da man die Formel sonst für die eine Seite einer chem. Gleichung halten könnte.
Sollen weitergehende Angaben über die räumliche Anordnung der Atome, über Bindungen zwischen ihnen od. über die bes. Zusammengehörigkeit einzelner Atomgruppen ausgedrückt werden, so benutzt man Strukturformeln. Man kann z.B. funktionelle Gruppen zusammenfassen u. direkt nebeneinanderstellen od. durch Striche abgrenzen – übrigens soll die Verw. von Strichen zur Veranschaulichung von chem. Bindungen in dem 1789 erschienenen Buch „Vergleichende Übersicht der phlogistischen u. antiphlogistischen Theorien“ von William Higgins (1765–1825) erstmals praktiziert worden sein. Wiederholt sich die gleiche Einheit in Kettenverb., so wird dies durch ihre Aufführung zwischen Klammern mit Vervielfachungsfaktor rechts unten von der Schlußklammer ausgedrückt. Unspezifizierte Bestandteile von solchen Formeln werden in der org. Chemie häufig durch R (Rest, Radikal) dargestellt: die allg. Formel für Carbonsäuren ist R–COOH. Eine bes. Darst. finden Formeln, in denen man die Stellung des Restes R offenlassen will. Eine unpolare Einfachbindung wird in den – wegen ihrer Übersichtlichkeit auch in diesem Werk viel verwandten – sog. Strichformeln (Couper-Butlerow-Strukturen) durch einen einfachen Valenzstrich, eine Doppelbindung durch einen Doppelstrich u. die Dreifachbindung durch einen dreifachen Strich symbolisiert. Anstelle eines Striches kann das bindende Elektronenpaar auch durch einen Doppelpunkt ausgedrückt werden (H:O:H). Früher wurde in der dtsch. Literatur, in der engl. gelegentlich noch heute, eine Einfachbindung durch einen Punkt, eine Doppelbindung durch einen Doppel- u. eine Dreifachbindung durch einen Dreifachpunkt symbolisiert, doch ist von dieser Schreibweise abzuraten. Durch bestimmte Stellung der Atomsymbole kann man auch Angaben über die räumliche Anordnung der Atome machen; nicht selten bezeichnet man nur derartige Formeln als Strukturformeln u. stellt sie den einfacheren Konstitutionsformeln gegenüber.
Das ringförmige Benzol wird durch einen Sechsring gelegentlich mit eingeschriebenem „H“ bildlich dargestellt.
Bei gesätt. od. partiell ungesätt. kondensierten Ringsystemen läßt man meist der Übersichtlichkeit halber die „H“ weg – der Fachmann weiß, daß an den Ecken des Rings je zwei Wasserstoff- (od. a.) Atome gebunden sind, an den Verknüpfungsstellen zweier Ringe aber nur eines. Mit bestimmten Konventionen läßt sich sogar deren Stereochemie, d.h. die räumliche Anordnung ober- od. unterhalb der Ring- = Papierebene darstellen. Beispielsweise symbolisieren in Formelbildern punktierte od. gestrichelte Linien generell „unterhalb der Papierebene“ befindliche Bindungen, starke od. keilförmig verbreiterte dagegen über der Papierebene liegende.
Ionen
Diese tragen die Bez. ihrer Ladung rechts oben an ihrer symbol. Darst. (d.h. am Elementsymbol od. an der eckigen Schlußklammer). Statt durch Plus- od. Minus-Zeichen wurde früher das Vorzeichen der freien Ionenladung häufig durch Punkt bzw. Hochkomma ausgedrückt, bes. dann, wenn man andeuten wollte, daß die betreffenden Ionen frei beweglich sind. Es sei hier noch darauf hingewiesen, daß die Ladung eines Ions grundsätzlich durch An+ ausgedrückt werden soll.
Radikale
Die sich durch das Vorhandensein von einsamen bzw. ungepaarten Elektronen am Kohlenstoff auszeichnenden org. Radikale bzw. Biradikale erhalten eine symbol. Markierung der Radikaleig. durch einen Punkt an demjenigen Atom, an dem die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons am größten ist.
Reaktionen
Chem. Vorgänge werden durch chem. Gleichungen dargestellt. Das Gleichheitszeichen besagt, daß die Gesamtheit der links u. rechts von ihm stehenden symbolisierten Ausgangs- u. Endstoffe gleich ist, denn entsprechend dem Gesetz von der Erhaltung der Masse müssen auf beiden Seiten einer Gleichung Anzahl u. Art der Atome dieselben sein. Die Anzahl der an der Reaktion beteiligten Atome od. Mol. drückt man in der Gleichung durch davorgestellte Ziffern aus. In Ionengleichungen müssen zusätzlich auch die Summen der freien Ionenladungen auf beiden Seiten der Gleichung übereinstimmen. Oft werden bei Gleichungen auch die umgesetzten Wärmemengen angegeben. Die Reaktions-Bedingungen (Temp., pH, Katalysatoren, Lichteinw. = hv, Pyrolyse = D) werden häufig über den Pfeil gesetzt. Das Ausbleiben einer (erwarteten) Reaktion wird angedeutet, indem Reaktionspfeil oder Gleichheitszeichen einfach od. doppelt durchgestrichen werden. Bei umkehrbaren Reaktionen schreibt man anstelle des einfachen Richtungspfeils 2 waagerechte, einander entgegengesetzte Pfeile. Der obere Pfeil gibt hier stets die Richtung der Hinreaktion an. Ist bei einer Gleichgew.-Reaktion die eine Seite der Gleichung bevorzugt, so zeigt man dies durch ungleiche Länge der Reaktions-Pfeile an. Einen Doppelpfeil benutzt man, wenn man andeuten will, daß eine Verb. aus zwei od. mehr (chem. nicht isolierbaren) elektron. Formen, den sog. Grenzstrukturen heraus (Mesomerie) reagieren kann.
Weitere Symbole
Außer den obigen, am häufigsten benutzten Symbolen haben bes. die Physikochemiker, Biochemiker, Kernchemiker u. Mineralogen noch viele weitere eingeführt. So finden sich z.B. in Euckens Grundriß der Physikal. Chemie vor der Einleitung über 130 verschiedene Formelzeichen, wobei das große u. das kleine lat., griech. u. got. Alphabet herangezogen werden mußten. Die physikochem. Symbolik ist wiedergegeben in Lit. (s.a. Nomenklatur). Zur topolog. Symbolik in der Chemie s. Lit. Die abgekürzte Schreibweise der Kernphysiker ist im Abschnitt Kernreaktionen erläutert. Eine c.Z. ganz bes. Art u. Zweckbest. ist die Wiswesser Linearnotation, die ebenso wie das verwandte GREMAS zu den Notationen gehört.
Mol-Begriff
(Symbol: mol). Das SI (s.a. Einheiten) definiert die Grundeinheit Mol als „die Stoffmenge eines Syst., das sich aus ebenso vielen Elementarindividuen zusammensetzt, wie in 0,012 kg des Nuklids Kohlenstoff-12 an Atomen enthalten sind. Wird das Mol verwendet, so müssen die elementaren Individuen bezeichnet werden. Diese können Atome, Mol., Ionen, Elektronen, andere Teilchen od. Gruppierungen solcher Teilchen sein“. Die Anzahl der Teilchen (zu denen auch Photonen gezählt werden) in der Stoffmenge
n=1 Mol ist 6,022·10 23 (Avogadrosche Zahl).
Der Gebrauch von n als sog. „Molzahl“ sollte aufgegeben werden, da n das Symbol für die physik. Grundgröße Stoffmenge ist u. man auch (in Analogie) nicht von Kilogrammzahl etc. spricht. Abgeleitete Einheiten sind z.B. Kilogramm durch Mol (kg/mol) als Einheit der stoffmengenbezogenen Masse, Mol durch Kubikmeter als Einheit der Stoffmengen-Konzentration (früher: Molarität) u. Mol pro Mol als Angabe des Stoffmengenanteils. Die Einführung der oben erwähnten neuen Begriffe u. Definitionen hat einige Kontroversen ausgelöst.
Molmasse
(Molekulargewicht, Molekülmasse, Formelgewicht; Abk.: M; MG; Mol.-Gew.). Der Begriff Molmasse wird nicht einheitlich benutzt. Auch in diesem Lexikon wird die Abk. MG. (für Molekulargew.) weiter verwendet. Analoges gilt für die Atommasse, für die synonym der Begriff Atomgew. verwendet wird. Unter der M. (relative Molekülmasse) versteht man eine Verhältniszahl, die angibt, wie groß die Masse eines Moleküls im Verhältnis zum 12. Tl. derjenigen eines Atoms des Kohlenstoff-Isotops 12 ist; diese Einheit ist die atomare Masseneinheit (u). Die M. entspricht der Summe der Atommassen (Atomgewichte) von allen am Aufbau des betreffenden Mol. beteiligten Atomen. Unter der molaren Masse versteht man dagegen ein Mengenangabe; so beträgt sie z.B. für Schwefelsäure (MG.: 98) ca. 98 g/mol. Für makromolekulare Stoffe gibt man mittlere M. an, da sie in der Regel aus Mol. unterschiedlicher Größe bestehen. Derartige Durchschnittsmolmassen gewinnen mit der Angabe über die Größenverteilung der Einzelmol. erst an Bedeutung.
1 Dalton = 1,6605 x 10 -27 kg = 1 u
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